【最強干貨】解析3D打印建筑技術和干混砂漿行業(yè)

通過近30年的3D打印發(fā)展, 使得許多傳統(tǒng)加工工藝不能夠或耗費巨大的實物設計能夠有效制造出來, 特別是許多創(chuàng)新的仿生(bionic)設計可以通過3D打印實現(xiàn)精密制造. 以無機膠凝材為主的建筑材料如混凝土干混砂漿等最初是和水混合為可塑性狀態(tài), 然后通過水合反應硬化, 形成不同的堅固耐用建筑實體. 這種材料自身的特性(從微觀到宏觀結晶生長)使得它們成為理想的增材制造材料(3D打印材料), 也就是說, 不像塑料, 金屬等3D打印, 就目前技術水準可以達到80-90%傳統(tǒng)制造(壓力注模和冶金粉末燒結)的力學性能;

3D打印的建筑材料本身的強度不會因為打印過程受影響, 所以, 在大尺度的建筑領域出現(xiàn)了眾多打印作品不為奇怪, 這是人類的自然進化. 但是, 3D打印覆蓋領域寬廣, 從納米級打印到幾百米的摩天大廈打印, 需要結合行業(yè)要求和對3D打印技術自身的理解進行實踐.
根據(jù)行業(yè)特性首先是對這個打印技術體系包括工藝, 材料, 設備, 建筑設計, 檢驗等進行全面的比較分析和總結, 形成一個可以實際運作的規(guī)范要求和標準. 同時, 確定3D打印建筑的未來研發(fā)領域和方向, 特別是在增材打印材料方面, 作為國內(nèi)新起之秀的”干混砂漿”在未來市場的發(fā)展之道上將接受嚴峻考驗和挑戰(zhàn), 如何做到真正意義上的節(jié)能環(huán)保, 穩(wěn)定的高質量的綠色建筑。

3D打印建筑將促使干混砂漿體系內(nèi)在的概念進化, 并將越來越多會起到”硬功夫”的作用. 3D打印建筑技術的出現(xiàn)，是目前建筑技術的補充，它給材料, 建筑設計, 城市規(guī)劃等帶來創(chuàng)新機遇, 讓人們在設計時能夠突破常規(guī)，解放思想，實現(xiàn)建筑, 藝術, 功能和環(huán)境的大融合。

為便于統(tǒng)一概念和理解3D打印建筑, 本文就廣義的增材制造和減材制造技術作一簡單介紹. 通過目前3D打印建筑的實際應用分析其特點, 工藝, 材料以及打印裝備技術來闡述其在整個建筑系統(tǒng)工程中的應用. 并結合近幾年德國杰斯公司(JCI)和亨維(H+V)公司聯(lián)合研發(fā)項目”微觀構造材料和裝備技術(micro-structuring materials and processing technology)”部分成果, 分析干混砂漿材料將面臨選擇和預測發(fā)展趨勢.

1.總述
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術的創(chuàng)新，3D打印技術逐漸深入到汽車工業(yè), 機械制造, 生物醫(yī)療、食品、教育、建筑設計, 航天航空等很多工業(yè)領域。在建筑建設這個古老領域已經(jīng)出現(xiàn)3D打印的實際應用案例。未來的外星球移居建筑解決方案可能是3D打印技術, 并且是就地取材. 國內(nèi)3D打印技術發(fā)展逐步從工業(yè)級應用到民用級上，正逐漸步入商業(yè)化。業(yè)界預測到2035年大型的集中的汽車制造業(yè)將結束, 取而代之的是分散的3D打印裝配中心. 科技部將3D打印技術納入國家計劃，政府決策層開始從戰(zhàn)略高度重視這項技術.   

3D打印技術使得許多傳統(tǒng)加工工藝不能夠或耗費巨大的實物設計能夠有效制造出來, 特別是許多創(chuàng)新的仿生(bionic)設計可以通過3D打印實現(xiàn)精密制造. 以無機膠凝材為主的建筑材料如混凝土干混砂漿等最初是和水混合為可塑性狀態(tài), 然后通過水合反應硬化, 形成不同的堅固耐用建筑實體. 這種材料自身的特性(從微觀到宏觀結晶生長)使得它們成為理想的增材制造材料(3D打印材料), 也就是說, 不像塑料, 金屬等3D打印, 就目前技術水準可以達到80-90%傳統(tǒng)制造(壓力注模和冶金粉末燒結)的力學性能;


3D打印的建筑材料本身的強度不會因為打印過程受影響. 所以, 在大尺度的建筑領域出現(xiàn)了眾多打印作品不為奇怪, 這是人類的自然進化(Evolution). 但是, 3D打印覆蓋領域寬廣從納米級打印到幾百米的摩天大廈打印, 如果像打印汽車零部件那樣打印, 恐怕一年365天每天24小時打印一幢10x10x6米的小樓則需要100多年時間.     

所以, 我們需要結合建筑行業(yè)的要求, 并基于目前3D打印技術狀況理性的進行創(chuàng)新實踐. 根據(jù)行業(yè)特性首先是對這個打印技術體系包括工藝, 材料, 設備, 建筑設計, 檢驗等進行全面的比較分析和總結, 形成一個可以實際運作的規(guī)范要求和標準, 協(xié)同發(fā)展. 同時, 確定3D打印建筑的未來研發(fā)領域和方向, 特別是在增材打印材料方面, 作為國內(nèi)新起之秀的”干混砂漿”在未來市場的發(fā)展之道上將接受嚴峻考驗和挑戰(zhàn), 如何做到真正意義上的節(jié)能環(huán)保, 穩(wěn)定的高質量的綠色建筑。3D打印建筑將促使干混砂漿體系內(nèi)在的概念進化, 并將越來越多會起到”硬功夫”的作用.   

3D打印建筑技術的出現(xiàn)，給材料, 建筑設計, 城市規(guī)劃等帶來創(chuàng)新機遇, 讓人們在設計時能夠突破常規(guī)，解放思想，實現(xiàn)建筑, 藝術, 功能和環(huán)境的大融合。同時, 迅速發(fā)展的3D打印業(yè)將會導致建設成本降低，這意味著“不久的將來”整體現(xiàn)場打印的給類建筑包括個性化房屋將在經(jīng)濟方面具有很大競爭力.  

2. 什么是3D打印建筑技術  
3D打印的概念是上個世紀80年代。美國的一個模具工程師發(fā)明的, 概念的雛形是像噴墨打印機那樣, 根據(jù)物體的圖像(三維模型數(shù)據(jù))分層打印出來, 這里的墨水是實際物體設計材料(如金屬, 塑料等等), 也即是說, 一層一層以材料疊加的方式制成實物。到90年代初期美國麻省理工學院的科研專家發(fā)明了一種以粉末為基礎的, 名為三維打印的技術; 同時, 陸續(xù)研發(fā)出如立體光固成型(SLA )、選擇性激光燒結(SLS)和熔絲沉積造型(FDM)等工藝技術, 90年年代末期3D打印機器開始工業(yè)化生產(chǎn)應用。 2000年之后，3D打印機器迅速發(fā)展，特別是在機械制造業(yè)快速成型對于自由曲面形狀得到實際應用.  

a) 3D打印的基礎工藝知識  
傳統(tǒng)機械制造業(yè)中我們通常將加工分為兩種方式: 模具成型和切削加工, 現(xiàn)在采用減材制造和增材制造(AM=additive manufacturing和SM=subtractive manufacturing)的術語. 廣義上理解, 注�；驂耗ぶ圃鞈�該屬于增材加工. 下圖顯示兩種思路的關系: 增材工藝    減材工藝   

從本質上講，增材制造和數(shù)控機床CNC或其它計算機輔助制造(CAM)技術并沒有什么不同。數(shù)控機床CNC是根據(jù)程序，利用切削工具將整塊原材料“減小”為零部件的過程，而增材制造則是將構造整塊原材料的微小單元(粉末或顆粒)通過融化, 燒結或粘接一層一層地累積疊加“增加”。它和傳統(tǒng)的減材制造互補可以打造出任意形狀.   

在建筑中實際上人們一直在采用增材制造工藝和減材建筑工藝, 增材工藝就是注模成型(壓膜成型和漿體布料成型以及擠出成型通常在工廠中制作水泥預制件采用, 俗稱PC); 減材建筑傳統(tǒng)的有窯洞建筑, 過程中有隧道, 地鐵等建設. 至于到人工3D打印雛形概念, 比如藝術墻體粉刷. 目前使用的3D打印工藝還是借鑒傳統(tǒng)機械制造業(yè)的主流工藝技術路線. 所以, 下面將對建筑3D打印有相關影響的增材制造工藝做一介紹, 便于我們對整個3D打印建筑的理解.   下圖3是增材制造機械制造業(yè)成熟的激光燒結(SLM=Selective Laser Melting)工藝, 因為它們是對于增材建筑有重要影響的工藝.     

除此之外, 塑料增材制造的融化沉淀成型(FDM=Fused Deposit Modeling)也是常規(guī)采用的方式. 可以直接用于增材建筑.    增材制造目前是傳統(tǒng)減材制造技術的理想補充, 德國機床制造商在現(xiàn)有CAM加工中心基礎上研發(fā)的混合制造工藝能夠有機將兩者結合起來, 可以大幅度提高效率如圖所示:

b) 成本和精度比較  成本趨勢

成本趨勢:   原理上講, 模型越復雜, 特別是有內(nèi)部空腔的異性結構, 3D打印和傳統(tǒng)減材制造比較越有效,圖X表示兩種制造工藝成本上的趨勢.    另外, 材料價格和用途也是決定選擇加工工藝的關鍵, 比如歐洲航天局(ESA)制作的水閥用鈦金屬材料. 增材制造比減材制造減少40%的質量。

   

表面質量:   在表面精度上我們可以通過以下實際制作物體圖片感性認識:金屬3D打印表面質量

和普通打印機一樣, 精度和分辨率成正比, 分辨率越高, 精度(清晰度)越高, 打印的時間越長, 成本越高. 所以, 3D建筑打印考慮成本速度, 分辨率可能在毫米以上至幾十厘米內(nèi). 可以是毛坯房, 精致表面還需要另外裝飾加工.

c) 3D打印特點:  
如成本曲線所示, 3D打印技術最大的優(yōu)勢在于打印復雜結構, 特別是內(nèi)部多封閉空腔的結構, 而傳統(tǒng)工藝很難或不可能實現(xiàn)的結構. 因為3D打印是以材料構成的微小顆粒構造物體. 它以數(shù)字模型文件為基礎，通過電腦輔助設計技術(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，運用一些金屬粉末, 塑料等可燒結, 高溫溶解材料，逐層加工迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體。

它的優(yōu)勢在于產(chǎn)品多樣化，制造復雜物品不增加成本，無須組裝，設計空間無限，零技能制造，減少廢棄副產(chǎn)品，材料無限組合，精確的實體復制。   因為3D打印是物質重新構造過程, 無論采用粘結沉積材料成型技術, 砂石骨料可以就地取材, 讓人們用可以負擔的起的方式建造房子; 或輪廓構筑工藝, 改性土壤等, 都可以讓貧瘠的荒漠變成宜居的綠洲。   

涉及成本優(yōu)勢需要比較結構, 對于一維或簡單的二維結構, 傳統(tǒng)的注模和壓模以及擠出成型好. 一維的結構由正方形或長方形板材和型材, 而且可以標準化(如杰斯公司柔性面磚的成型技術). 二維結構可以是其它曲線形狀的板材(如杰斯公司的人造石材的顏色紋理發(fā)生器). 三維結構的構件像瓦片通常采用壓模成型, 由于是大規(guī)�；�生產(chǎn), 所以模具費用較小. 只要批量化生產(chǎn), 結構可以通過傳統(tǒng)工藝達到如沒有封閉的空腔, 傳統(tǒng)增材工藝一定有優(yōu)勢. 用3D打印一維構件的預制件成本一定會高.

在輪廓構筑打印工藝中的墻體實質是一個一維結構, 現(xiàn)場整體打印有優(yōu)勢是因為可以免去中間輸送安裝以及建筑中人員的施工風險, 因為每年建筑過程中有許多人員傷亡事故.   從目前打印的房屋來看, 不論是成本, 質量, 還是效率都不能夠和傳統(tǒng)建筑相比, 因為人們把3D打印最不擅長的一維結構作為建筑模型. 只有我們后面提到的放射蟲館的結構可以體系速度快, 節(jié)省材料, 質量好, 成本低, 那是因為傳統(tǒng)工藝時間更長(模具制作時間長), 效率更低(手工制作), 質量更差(人工制作誤差大).  

d) 應用領域  

3. 增材建筑的工藝, 裝備和材料技術  

a) 工藝技術線路  
機械化建筑有兩種主要方式: 一是采用傳統(tǒng)的建材, 通過機器手對磚塊進行砌筑. 二是采用機器手進行3D打印建筑. 機器手發(fā)展相對成熟. 一個4軸的機器手就可以進行構件的自由曲面打印. 對大型構件可以將機器手安裝在塔吊上進行施工(塔吊需要相應改造).

另外的方式, 目前較為流行的是坐標導軌形式的打印機(類似于龍門吊或行車), 相對機器手, 需要較大的占地面積. 對于別墅, 小高層建筑等專業(yè)打印機速度相對于機器手可以大幅度提高.   

接下來是打印工藝. 按照以前的敘述, 我們廣義地將理解建筑的3D打印方式, 因為高樓建筑的數(shù)量級是普通汽車體積的1000-100000倍數(shù). 按照狹義的3D打印是不可能實現(xiàn)的. 同時把一維的板材和型材成型方式歸入3D打印的一部分, 統(tǒng)稱3D打印. 比如在房屋整體現(xiàn)場打印中基礎部分各房間的地板可以采用一維布料方式一次成型.樓板等采用預制件型材吊裝. 打印過程中還可以吊裝門窗等, 如果設計為嵌入式. 這樣的3D打印建筑或更確切自動機械化建筑成為可能.  

b) 3D打印建筑打印工藝  
建筑領域中的3D打印,目前典型的應用工藝有兩種:

1) 輪廓構筑(CC=Contour Crafter ) 由美國南加州大學教授博士Dr. Behrokh Khoshnevis  (University of Southern California)發(fā)明. 采用平行多噴嘴工藝. 這里的打印”紙和墨”是一體的.  

a) 平行多打印頭, 外輪廓側面帶抹刀

b) 單打印頭, 內(nèi)外側抹刀. 打印頭兩側抹刀設計可以改進.

圖13: CC工藝, 單打印頭, 兩側抹刀結構  

c) 單打印頭, 無側抹刀. 依靠打印材料自身的可塑性和流動性成型. 表面效果均勻.   

輪廓建筑是針對建筑物所有墻體輪廓設計的, 成型的輪廓就像模板, 內(nèi)部可以放置鋼筋再填充常規(guī)混凝土. 打印輪廓時也可以放置鋼筋加強或臨時支撐懸空部分打印. 總之, 打印中通過機器可以進行異性和異質部件的插入.   

  

2) 粘接沉淀成型(SDM =Sticky deposition modeling) (類似SLM或FDM), 開發(fā)者為意大利人 Enrico Dini稱之為D-Shape技術. 原理是按照CAD模型數(shù)據(jù)在每層砂石粉上的設計區(qū)域打印膠水, 反應硬化后清除散砂石粉, 得到打印的物體. 這種工藝是狹義上的3D打印. 砂粉層是打印”紙”, 粘結劑是打印”墨水”. 但是對于大尺度的建筑這樣打印機是非常龐大, 砂石粉床的量也是巨大的. 在富有砂石粉的地方并具備有利地形可以實現(xiàn)大尺度建筑打印, 同時, 還需要改進成型物的支撐形式.

3) MIP工藝
MIP工藝是杰斯亨維公司聯(lián)合開發(fā)一種組合噴嘴(打印頭), 采用”就位混合”的MIP(mixing  in position)工藝, 它是一種多通道的混漿噴嘴. 3-4原材料可以是粉料, 骨料和液體, 在需要時計量混合擠出. 通過適當?shù)目諝庵�撐系統(tǒng)可以做到真正的3D打印, 不需要料床. 其中一種形式見圖解:     

c) 3D打印建筑物表面效果  
打印質量和材料特性, 打印機原理, 控制系統(tǒng)以及打印時間有關, 下面的圖片只是提供一個感性認識, 因為沒有比較的基礎參數(shù).

d) 裝備技術  
目前的3D打印建筑設備技術已經(jīng)取得了長足的發(fā)展. 輪廓構筑打印機器相對簡單成熟, 成本也低一些, 打印材料是混凝土或干混砂漿, 打印材料通過一臺我們通常使用的混漿泵混漿和泵送至打印頭的噴嘴, 打印頭通過伺服傳動進行x軸的運動和上下垂直運動(z-軸), 打印頭的y-軸運動時通過支撐打印頭的龍門架, 放置在兩邊的導軌上, 通過電機使其在導軌上滾動運動. 龍門架采用桁架結構, 減低重量.

e) 材料要求:
現(xiàn)有的混凝土和干混砂漿是3D打印建筑的主要材料, 它們除滿足現(xiàn)有標準外, 還必須具備以下性能:
●可塑性  
●出噴嘴后速凝固快,   
●成型好, 能支撐自身重量和打印中的動荷載
●下一層打印膠結不受影響
●自養(yǎng)護性   

目前可用的3D打印建筑材料主要是無機膠凝材基的材料如混凝土和干混砂漿, 玻璃纖維增強石膏,  玻璃纖維增強砂漿、未來的鋼纖維加強超高性能混凝土(UHPC).   

3D打印建筑材料的研發(fā)方向是無機膠凝材, 特別是水泥的研究和制備越來越重要, 在超高性能混凝土中(抗壓強度>120 N/mm2 至 200 N/mm2), 水泥是最關鍵成分, 其次是纖維. 纖維加強技術包括鋼纖維將在3D打印建筑材料中起關鍵作用, 特別是在曲面房頂打印技術中, 除輔助支撐, 異物插入的可能性沒有, 打印材料必須具備普通鋼筋水泥的強度. 這里UHPC是用武之地.   

化學添加劑, 特別是可塑性, 速凝材料在改性打印材料中應用.   另外, 就是所謂”建筑垃圾”. 就像當年的粉煤灰, 人們不知道其用途時認為才是垃圾. 建筑廢料和老房拆遷破碎的墻體樓板, 其主要成分還是我們現(xiàn)在建筑常用的砂, 石灰, 水化的水泥, 這些都可以加工后作為很好的骨料填料使用. 德國科學家將這些廢料研磨和和部分水泥混合后制成為普通硅酸鹽水泥.   

現(xiàn)在的綠色建筑, 城市再生礦山等理念, 人類已經(jīng)從事這方面的研究。地球表面上最多的是粉塵, 砂, 泥巴, 如何改性它們成為適合的建筑材料是綠色建筑的主要課題. 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn), 將10%的含無機膠結材的混合改性物加入土壤混合后, 強度可以提高5-6倍. 土壤改性技術的發(fā)展將給建筑工藝方面的減材制造技術帶來生機, 并且會越來越備受市場和城市規(guī)劃重視, 它可以和自然和諧一體.  

4. 目前3D打印在建筑領域的發(fā)展狀況  
美國3D打印團隊用輪廓構筑(CC)工藝, 單打印頭機器打印的混凝土城堡, 非整體現(xiàn)場打印.部分預制打印再現(xiàn)場吊裝. 外觀均勻的打印痕跡清晰. 是目前較大的實物打印案例, 占地面積為15平方米.

5. 整體現(xiàn)場打印方案  
a) 工藝方案  
整體在現(xiàn)場打印房屋目前還沒有, 但是, 相對成熟的方案是南加州大學教授Behrokh Khoshnevis和卡特彼勒的聯(lián)合資助項目，一個超大型3D打印機的研究項目，設備為結構龍門吊車形式，在導軌式移動. 橫梁可以上下擺動前后移動，模塊化設計, 打印頭在橫梁上左右移動，打印材料是干混砂漿混漿泵或打印用混凝土泵車。先將地板部分采用一維打印完成, 放置其它必要的輔件如大門的地板等. 然后一層一層打印至窗戶頂, 放置窗頂打印支撐繼續(xù)打印至樓板層/ 機械吊裝樓板預制件, 再繼續(xù)打印第二層, 這樣將整棟房子打印出來. 這樣打印出的是不錯的毛坯房，還需要完善和裝修.

b) 打印裝備方案
在南加州大學教授Behrokh Khoshnevis 的Contour Crafter研究成果基礎上, 設計師進一步地擴大CC打印機的能力，加強對于大型三維打印的需要，特別針對現(xiàn)場整體建筑物的打印。他們提供了一種全新的施工方法，把工業(yè)化生產(chǎn)和快速原型設計技術結合在一起，可以在比傳統(tǒng)工藝短的多的時間機械化“打印”出這個房屋的毛坯.

c) 未來星球移居方案  
歐洲宇航局最近公布了一套月球基地3D打印建筑方案, 采用意大利人的D-shape工藝打印.該方案的核心思路是就地取材, 對月球表面土壤改性成可以打印的材料. 墻體打印成空心封閉的細胞結構. 人們發(fā)現(xiàn)類似月球土壤(Lunar regolith), 在地球上也有相似的土壤, 只是月壤中沒有有機物. 不遠的將來, 人們可能會以同樣的方式在地球上建筑這樣真正綠色建筑.

圖26: 未來月球移居計劃中的3D打印方案和打印機器人.

6. 哪些現(xiàn)狀形式適合于3D打印  
目前, 采用常規(guī)的混凝土或干混砂漿打印垂直墻體沒有問題, 只是表面精度和變形還有待改進.  對曲面殼體3D打印建筑可以實現(xiàn)打印的有漸放和漸收的對稱曲面殼體:      

因為混凝土和砂漿不像金屬和塑料可以極快速固化達到最后強度, 它們需要水合反應28天后達到基本強度, 后期強度還會變化. 所以, 如何使打印材料在足夠短的時間初凝固化能夠承載自重和打印動荷載是打印材料的研究課題. 下面是最能體現(xiàn)3D打印強項的形狀:

7. 干混砂漿未來發(fā)展  
幾乎占據(jù)50%水泥用量的干混砂漿(砂漿)行業(yè), 在歐洲經(jīng)歷50多年的發(fā)展后逐步被國內(nèi)市場接受. 經(jīng)歷15年中國干混砂漿市場推廣, 到現(xiàn)在我們在全國各大中型城市的工地都能看到干混砂漿散裝罐樹立. 干混砂漿的用量在迅速增加. 另一方面, 全球的技術發(fā)展迅猛, 3D打印現(xiàn)在已經(jīng)悄悄給建筑業(yè)鋪墊各種可能的機遇. 同時興起的混凝土預制廠房, 組裝房屋熱潮給傳統(tǒng)建筑工藝帶來改革推動.

細細品味混凝土和干混砂漿, 其實它們實質是一樣的, 只是功能不同, 施工工藝不同. 在預制工廠它們可以是一起的. 隨著3D打印技術出現(xiàn), 干混砂漿作為復合材料其生產(chǎn)方式將同時向為建筑結構主體服務和輔助體服務的一體化道路.   所以未來3D打印材料將不會區(qū)分這么明顯. 但是, 將會根據(jù)結構設計和打印工藝分類. 現(xiàn)將根據(jù)打印工藝對砂漿的要求列表如下(以打印別墅為例):  

如果按照SDM工藝, 干混砂漿工廠將只是生產(chǎn)”墨水”, 也就是類似我們10年前曾經(jīng)推廣的超級粘結劑(super binder). 砂石骨料是打印”紙”, 不需要干燥!  

以上分析明顯的結果是砌筑砂漿會完全多余, 抹灰砂漿也是按照需要使用, 自流平砂漿也逐步退出市場(不排除個性化需求的使用). 裝飾方面所謂的粉末涂料或干混砂漿膩子將會更多作為個性化美化使用; 除此之外, 它將用于不同墻體的裝飾板材的打印. 未來將出現(xiàn)更多的所謂改性材料, 完善打印表面的質感以及功能性如強度, 耐磨性, 色彩等.國內(nèi)面臨的諸多問題的建筑節(jié)能體系, 將有望通過3D打印技術而徹底改觀. 其中的保溫材料將有可能突破目前的工藝瓶頸. 通過仿生設計的結構, 打印和墻體一體的無機保溫材料, 避免了目前的施工周期長, 風險高, 脫落等諸多問題.

這樣的發(fā)展使得目前的保溫粘接和加固砂漿可能面臨淘汰的危險. 因為打印的板材將具備互相扣接設計, 會更牢固和安全.   在未來的綠色生態(tài)城市規(guī)劃和建筑中, 即結合減材建筑技術將城市規(guī)劃和大自然的河山樹林融為一體, 大規(guī)模的劈山造路, 蓋實心混凝土大廣場將一去不復返. 就地取材, 就地形設計, 增材和減材工藝相結合. 干混砂漿也將脫出目前普通砂漿的內(nèi)涵, 深入研究無機膠凝材用于就地取材的改性技術, 高壓灌漿加固技術, 開發(fā)用于打印封閉細胞空腔結構的輕質材料. 其它領域的復合和合成材料, 和有機物復合, 和金屬物復合材料等.  

8. 3D打印建筑發(fā)展方向  
通過以上的理解分析, 雖然3D打印建筑工藝對打印材料要求不同, 更多的則是建筑結構設計的變革， 設計需要更多地和仿生學結合, 設計輕質高強度的結構, 來彌補3D打印建筑不便采用傳統(tǒng)建筑鋼筋帶來的強度損失. 未來的3D打印建筑發(fā)展方向將分為   - 建筑構件打印然后拼裝和  - 整體建筑打印或  - 更多的是兩種互補工藝形式.     

因為整體打印摩天大廈是不現(xiàn)實的, 整體打印建筑在技術上可行的打印尺寸將會是:
●一些個性化別墅
●軍事用營房, 軍事基礎設施
●經(jīng)濟適用小高層  
●高樓大廈局部藝術造型, 特殊功能的樓頂, 地下室等部分.     

此外, 現(xiàn)行的沙袋地球屋(Sand bag earth house)可以采用CC打印工藝整體完美實現(xiàn). 其原理是采用包裝好的沙袋碼疊成圓拱形, 構筑非常自然的居住環(huán)境(見圖32). 國內(nèi)的新農(nóng)村建設可以以此為樣板.   目前最可能實現(xiàn)的是通過規(guī)劃和結構設計改革的生態(tài)建筑, 3D打印建筑, 廣義的減材建筑和傳統(tǒng)預制件相互結合, 實現(xiàn)不用移山填海, 砍伐樹林建造新型的生態(tài)城市

3D打印建筑是人類的思想進化, 它只是眾多的建筑技術中的一種, 不可能是萬能. 但是, 3D打印技術的出現(xiàn)卻給我們帶來思路上反省, 我們以前有哪些彎路走過, 造成什么樣的后果. 每一個新技術的采納, 我們是否先要考慮這項技術給我們的未來帶來什么后果, 好的或壞的, 如何應對, 機遇和挑戰(zhàn). 這就是我們評估一項技術的邏輯方法.   

反思我們的建筑方式, 城市規(guī)劃是否還在繼續(xù)大量耗盡自然資源? 反思干混砂漿的發(fā)展, 河沙用完, 用機制砂, 標榜為先, 礦山?jīng)]有了用什么? 我們是否考慮移山造房會給我們和下一代帶來什么樣的后果? 是否評估這項技術的后果, 如何應對? 反思為什么不考慮中國的建筑工地和歐洲的小別墅建設的區(qū)別, 盲目一刀切. 一個幾十萬平米的建筑工地, 其中用量大的砂漿(地坪,砌筑或抹灰等)是否可以采用超級粘結劑+骨料的機械化施工方式? 避免剛生產(chǎn)的, 還冒著熱氣的干混砂漿不一會兒到現(xiàn)場加水攪拌施工, 是節(jié)能還是浪費?   干混砂漿體系將隨著由于新技術, 資源短缺, 思想轉變促使整個建筑體系的變革而演變, 一切將回歸自然, 即使是在資源短缺時, 人們也不想吃的有毒食品, 住不健康, 不安全的房屋.   

3D打印建筑技術通過先驅者們的嘗試證明, 所以的一切將從”硬功夫”開始. 首先是基礎材料, 從基礎的膠凝材著手深入研究水泥和礦物相材料的機理, 化學添加劑以及相關裝備技術研發(fā); 現(xiàn)有的干混砂漿體系在打印材料方面將承擔更大的責任和挑戰(zhàn), 硬功夫的要求可能會使行業(yè)重新洗牌; 其次是建筑設計的結構需要更優(yōu)化的強度重量比,更優(yōu)的性價比, 就地取材的理念會得到進一步實現(xiàn). 打印機器設備將和現(xiàn)有的施工機器結合, 包括機器手(人)等, 設計的模塊化組合, 更靈活建筑施工方式等等. 3D打印建筑裝備將不再閉門造車, 不再摸著石頭過河; 整合資源, 分工合作. 將是發(fā)展的最好機遇, 因為全球的3D打印處在起步階段, 大家在同一起跑線上. 最后非常重要的是整個建筑監(jiān)管體系包括規(guī)范標準,檢驗和認證.

編輯：南極熊
作者：蔡兵, 德國工學博士(Dr.-Ing. Bing Cai)  德國杰斯(揚州)智能環(huán)�？萍加邢薰�司
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